钠冷快堆蒸汽发生器管箱密封性能敏感性分析.pdf

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1、第54卷第3期2017年6月化工设备与管道PROCESSEQUIPMENT&PIPINGVbl．54NO．3Jun．2017·压力容器·钠冷快堆蒸汽发生器管箱密封性能敏感性分析杨培志(东方电气股份有限公司，四川成都611731)摘要：对钠冷快堆蒸汽发生器而言，在既定设计工况下，影响管箱密封性能的参数主要包括套筒的厚度、套筒长度、螺栓预紧力和盘形垫片截面尺寸。这些参数对管箱密封性能的影响各不相同，通过有限元数值分析手段，分析了不同参数对管箱密封性能的影响，获得了管箱密封性能对不同影响参数的敏感度，为同类型蒸汽发生器的密封结构设计提供了指导。关键词：快堆蒸汽发生器；密封性能

2、；数值分析；敏感性分析中图分类号：TQ050．2；TH123文献标识码：A文章编号：1009．328l(2017)03—0001—005钠冷却快中子反应堆核电厂的蒸汽发生器是反应堆主要热量传输系统的关键设备⋯。它不仅是钠冷快堆核岛与常规岛的重要能量转换接口，也是钠水介质的关键隔离层[2】。钠冷快堆蒸汽发生器由蒸发器和过热器组成，均为管内直流的固定管板式换热器【3]。作为钠冷快堆核电厂三回路的主要压力边界和能量转换接口，蒸汽发生器管箱的密封性能不仅影响核电厂的功能性，也决定了核电厂压力边界完整性和安全性【4]。本文将某钠冷快堆核电厂蒸汽发生器作为研究对象，通过有限元数值分

3、析方法，对影响管箱密封性能的相关设计参数进行敏感性研究分析。1密封结构简介蒸发器的进口管箱为水腔室，蒸发器出口管箱及过热器的进口管箱为蒸汽腔室。水腔室和蒸汽腔室皆采用平盖及螺栓法兰连接密封结构，其密封用紧固件皆由套管、球面垫圈、双头螺柱和螺母组成；区别在于蒸汽腔室平盖与简体法兰间采用密封膜片结构，而水腔室采用的是盘形压紧垫片。蒸汽腔室密封结构如图1所示，水腔室密封结构如图2所示。蒸汽发生器管箱结构各零部件选材见表1，各材料的性能数据来自ASME规范第Ⅱ卷材料D篇陋]。2密封性能影响参数蒸汽发生器管侧设计压力为17MPa，水腔室设计温度为240℃，蒸汽腔室设计温度为500

4、℃。根据图1蒸汽腔室密封结构Fig．1Sealstructureofsteamchamber图2水腔室密封结构Fig．2Sealstructureofwaterchamber该设计工况，初选螺栓规格为M80，每个腔室环向布置24套螺栓紧固件。在上述既定条件下，影响结构密封性能的参数主要包括套筒的厚度、套筒长度、收稿日期：2017-04．20作者简介：杨培志(1982一)，男，tNJil成都人，硕士研究生。主要从事核设备设计工作。2化工设备与管道第54卷第3期表1蒸汽发生器密封结构材料nblelMaterialsofsealstructure零部件材料顶盖、管板、腔室、盘

5、形垫片膜片、垫环螺栓、螺母、垫圈、套筒SA．336Gr．F22CL_3SA一387Gr．22CL．220CrlM01Ⅵ妯TiB螺栓预紧力和盘形垫片截面尺寸。3蒸汽腔室密封性能敏感性分析密封结构性能敏感性分析是对密封性能产生影响的因素分析，获得各因素对密封性能的影响程度及影响趋势的一种手段【6】。3．1分析模型蒸汽腔室密封性能数值分析采用1／24模型，包含了顶盖、管板、筒体、垫环、垫圈、套筒、螺栓、螺母，如图3所示。其中顶盖、简体、垫环、垫圈、套筒、螺栓、螺母间设置为接触关系。两侧对称面上施加对称约束，在壳侧简体延长段端面施加轴向位移约束。计算模型采用如下简化：(1)忽略

6、接管嘴及开孔对密封性能的影响；(2)忽略管板开孔或管束对管板弱化或强化作用对密封性能的影响；』．图3蒸汽腔室分析模型Fig．3Analysismodelofsteamchamber人(3)忽略膜片结构，保守地假设此处的密封皆由顶盖与管板间的密封压力保证。3．2分析方法蒸汽腔室的密封，通过平盖与腔室筒体间的密封压力实现。顶盖与腔室简体间的接触压力越大，密封性能越好，但过大的接触压力会使螺栓强度失效和套筒失稳的风险增大。本文在开展蒸汽腔室密封性能对各参数的敏感性分析时，以顶盖与腔室筒体间的接触压力、螺栓平均应力及套管轴向压应力为目标函数，以套管厚度、套管长度和螺栓预紧力为设

7、计变量，以设计工况为约束条件进行了数值模拟研究。各物理量设置如表2所示。表2蒸汽腔室密封性能敏感分析用物理量TablePhysicsusedforsensitiveanalysisofsteamchamber3．3分析结果当L=180rflm、EL=3．75×105N时，套管厚度对各输出参数的影响趋势见图4。可见，套管厚度越大，螺栓应力越大而套管轴向压应力则呈减小趋势；且接触面压力也越大。当t=15i／lrn、EL=3．75×105N时，套管长度对各输出参数的影响趋势见图5。可见，螺栓平均应力、套管轴向压应力和接触面压力皆随套管长度的增大